臨近地鐵車站的盾構隧道施工的穩(wěn)定性研究

張文一，劉力

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

地鐵因其快速、便捷、方便、舒適、占地少、載客量大以及運營安全等特點，在大城市得到迅速發(fā)展。隨著地鐵線路的迅速發(fā)展，地鐵線路和既有構建筑物必然會交叉施工，尤其是已有地鐵車站結構。地鐵隧道的施工必然對地鐵車站結構產(chǎn)生不利影響，甚至危害已有地鐵車站的結構安全。

因此，越來越多的科研工作者采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法，研究了隧道施工對既有建構筑物的影響問題。胡群芳等[1]基于現(xiàn)場監(jiān)測結果，研究了盾構施工對既有隧道的影響，總結了隧道穿越過程中既有隧道的變形規(guī)律和施工技術措施。邵華等[2]建立三維數(shù)值模型模擬臨近既有隧道的盾構隧道施工過程，分析了盾構隧道施工過程中已運營隧道變形擾動，并對相關敏感參數(shù)進行分析。房居旺[3]利用有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了隧道施工過程中地鐵車站的變形規(guī)律，深入分析了變形控制措施。陳彬科等[4]基于數(shù)值模擬手段，對臨近地鐵車站的地鐵隧道施工方案進行研究，分析了不同施工方案下既有車站變形的影響。吳浩[5]利用三維有限元軟件，評估了盾構隧道下穿既有車站過程中既有地鐵車站的安全性。房明等[6]利用三維數(shù)值模擬，分析了隧道下穿既有隧道的施工過程，分析了既有隧道變形過程，評估了新建隧道和既有隧道的安全性。

基于某盾構隧道臨近既有地鐵車站的施工過程，進行數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了不同施工參數(shù)對車站變形的影響，并結合現(xiàn)場監(jiān)測結果，分析了盾構施工過程中車站結構的變形過程。

2 工程概況

某雙線地鐵隧道下穿地鐵車站，該區(qū)間雙線隧道間處于平行位置，隧道穿越地鐵車站的區(qū)間范圍內(nèi)土層厚約20.5 m。隧道下穿地鐵車站段近接車站的出入口，同時經(jīng)過風亭。隧道中心線與車站出入口最近距離約為15.9 m。盾構隧道和既有車站關系位置如圖1 所示。該下穿車站的隧道區(qū)間多處于粉質(zhì)黏土層，有利于盾構的掘進。表1 列出了主要土層物理力學參數(shù)。

圖1 隧道-車站模型圖

表1 土層參數(shù)

3 模型建立

3.1 三維數(shù)值模型

圖1 給出了隧道-車站結構整體模型圖。該雙線隧道距離為22 m，隧道拱頂距地表20 m，地鐵車站在其上方10 m 處，隧道的半徑為5 m。采用板單元模擬地鐵車站。

3.2 參數(shù)選取

根據(jù)現(xiàn)場勘探資料，土體參數(shù)取值見表1，土體采用摩爾-庫倫模型。地鐵車站參數(shù)及盾構隧道參數(shù)取值：初襯厚度為0.2 m，重度為15.5 k N/m3，彈性模量為34.5×106kPa；盾構機護壁厚度為0.18 m，重度為26.0 kN/m3，彈性模量為2×108kPa；車站主體結構重度為25.0 kN/m3，彈性模量為3.0×107kPa。

4 模擬結果分析

圖2 給出了車站內(nèi)人行道沉降隨盾構掘進過程中的曲線圖。如圖2 所示，當盾構刀盤距車站約50 m 時，車站內(nèi)人行道開始產(chǎn)生結構沉降，隨后緩慢增大。當盾構刀盤臨近車站時，車站人行道沉降迅速增大。當注漿壓力分別為200 kPa、300 kPa和400 kPa 時，車站內(nèi)人行道最大沉降分別為-2.1 mm、-1.1 mm和-1.0 mm。可見，車站人行道沉降隨著注漿壓力的提升顯著減小，但當注漿壓力超過300 kPa 后，變形控制效果有限。可見，該工程經(jīng)濟合理的注漿壓力為300 k Pa。

圖2 不同注漿壓力下車站人行道沉降

圖3 為不同掌子面壓力下隧道施工過程中地鐵車站內(nèi)人行道沉降圖。如圖3 所示，當掌子面壓力分別為250 kPa、350 kPa和450 kPa 時，對應的人行道沉降峰值為-2.45mm、-1.15 mm和-1.10 mm。由此可知，掌子面壓力對車站人行道沉降影響顯著，且隨著壓力的增大而減小，但當掌子面壓力超過350 kPa后，變形控制效果有限。可見，該工程經(jīng)濟合理的掌子面壓力為350 kPa。

圖3 不同掌子面壓力下車站人行道沉降

圖4 給出了地鐵車站內(nèi)人行道變形的監(jiān)測數(shù)值和數(shù)據(jù)對比。可以看出，兩者曲線吻合較好，誤差在合理范圍內(nèi)，說明了上一節(jié)中三維數(shù)值模型的合理性。

圖4 數(shù)值結果和監(jiān)測結果對比

圖5 給出了車站內(nèi)人行道沉降隨日期變化的曲線圖。圖5中選取了3 個測點的監(jiān)測結果，繪制了車站內(nèi)人行道沉降數(shù)據(jù)曲線。如圖5 所示，人行道內(nèi)3 個監(jiān)測點變形趨勢一樣：2 月16日起，人行道出現(xiàn)沉降，隨后人行道沉降逐漸變大再刀盤接近車站過程中。當盾構機刀盤穿過地鐵車站，人行道沉降迅速變大，在人行道沉降峰值發(fā)生在21 日。隨后人行道沉降逐漸穩(wěn)定。

圖5 車站內(nèi)人行道沉降變化曲線

圖6 給出了地鐵車站前方10 m 處4 個時間點的地表沉降曲線。以左線隧道中心線為準，將25 m 范圍內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)制成變形曲線。通過圖6 可以發(fā)現(xiàn)，左線隧道中心線左右側15 m 范圍內(nèi)，地表沉降顯著變大，且該變形曲線呈現(xiàn)正態(tài)分布規(guī)律。由此可知，隧道掘進過程對隧道周邊15 m 范圍（約3 倍隧道半徑）土體有顯著影響。

圖6 地表沉降曲線

5 結論

基于有限元軟件，建立三維數(shù)值模型模擬盾構隧道臨近既有地鐵車站施工過程，研究了不同注漿壓力和掌子面壓力下盾構隧道施工對車站結構的變形影響。同時通過對車站結構變形進行監(jiān)測，總結了地鐵車站的變形規(guī)律，得出以下主要結論：

1）地鐵車站結構可以通過增大掌子面壓力和注漿壓力減小其變形。該工程經(jīng)濟合理的注漿壓力為300 kPa，該工程經(jīng)濟合理的掌子面壓力為350 k Pa。

2）2 月16 日起，人行道出現(xiàn)沉降，隨后人行道沉降逐漸變大再刀盤接近車站過程中。當盾構機刀盤穿過地鐵車站，人行道沉降迅速變大，在人行道沉降峰值發(fā)生在21 日。隨后人行道沉降逐漸穩(wěn)定。